3.4. Средства измерений и их основные элементы

Средства измерений представляют собой совокупность техни­ческих устройств (средств), используемых при различных измере­ниях и имеющих нормированные метрологические свойства, т. е. отвечают требованиям метрологии в отношении единиц и точно­сти измерений, надежности и воспроизводимости полученных ре­зультатов, а также требованиям к их размерам и конструкции.

Основными средствами измерений являются измерительные пре­образователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

В основе построения любого технического средства измере­ний лежит определенный принцип действия, представляющий собой физический принцип — закон, явление, закономерность ит. п., заложенные в основу функционирования средства изме­рений конкретного вида. Например, термоэлектрический термо­метр (термопара) представляет собой "комплект технических средств, состоящий из двух основных элементов: термоэлектри­ческого преобразователя температуры (ТЭПТ) и электроизмери­тельного прибора — милливольтметра, соединенных между собой электрической связью (проводами). Принцип действия ТЭПТ ос­нован на термоэлектрическом эффекте, а милливольтметра — на электромагнитной индукции (взаимодействие поля постоянного магнита с проводником в виде рамки, по которому протекает электрический ток). В результате процесса измерений на выходе любого средства измерений возникает сигнал измерительной ин­формации о каком-либо явлении, событии, состоянии объекта или команды управления, оповещения и т. п. Этот сигнал может быть использован по месту его формирования, может быть пре­образован к виду, удобному при его использовании в другом мес­те, и т. д. Таким образом, сигнал измерительной информации яв­ляется носителем данных (параметров), формируемых с помощью измерительных устройств различного назначения, принципов действия, способов и методов измерений, выполненных с учетом их метрологического назначения.

Измерительные преобразователи (датчики) предназначены для формирования сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения. Измерительные преобразователи (ИП) подразделяются на следующие основные группы.

1. Первичные преобразователи, к ним подводится измеряемая физическая величина. Эти преобразователи являются первыми в измерительной цепи и предназначены для первичного преобразо­вания измеряемой физической величины в форму, удобную для дальнейшего использования.

2. Промежуточные преобразователи занимают в измерительной цепи место после первичного преобразователя и предназначены для проведения необходимых преобразований (усиления, вы­прямления, сглаживания и т. п.).

3. Передающие преобразователи предназначены для дистанци­онной передачи сигналов измерительной информации.

Преобразователи могут быть электрическими, пневматически­ми, гидравлическими, электропневматическими, пневмоэлектри- ческими и т. п.

Измерительные приборы предназначены для формирования сигнала измерительной информации (электрического, пневмати­ческого, оптического и др.) в форме, удобной для непосредствен­ного восприятия наблюдателем. По форме выдачи информации измерительные приборы подразделяются на аналоговые, показа­ния которых являются непрерывной функцией измеряемой вели­чины, и цифровые, показания которых являются дискретными и представляются в цифровой форме.

Сигналы измерительной информации могут быть естествен­ными, не претерпевшими никаких преобразований, и преобразо­ванными, претерпевшими целенаправленные преобразования для удобного их использования.

В зависимости от вида отображения информации измеритель­ные приборы подразделяются на следующие группы.

1. Показывающие — приборы, которые обеспечивают отсчет показаний.

2. Регистрирующие — приборы, которые обеспечивают регист­рацию показаний. Эта группа состоит из двух основных типов приборов: самопишущие, в которых показания записываются в виде диаграмм, и печатающие, в которых показания записывают­ся в виде цифр.

3. Интегрирующие — приборы, в которых измеряемая величина интегрируется по времени или другой независимой переменной.

4. Суммирующие — приборы, показания которых функцио­нально связаны с суммой двух или нескольких величин, подво­димых к прибору по различным каналам.

Измерительные установки предназначены для формирования сигналов измерительной информации в форме, удобной для не­посредственного восприятия наблюдателем, и представляют со­бой совокупность функционально объединенных мер, измери­тельных преобразователей, измерительных приборов и других вспомогательных устройств, расположенных в одном месте и объединенных единой конструкцией.

Измерительные системы предназначены для формирования сигналов измерительной информации в форме, удобной для ав­томатической обработки, передачи и использования в автомати­зированных системах управления (АСУ), состоящих из совокуп­ности измерительных средств и вспомогательных устройств, объе­диненных между собой соответствующими каналами связи.

Вышеперечисленные средства измерений состоят из звень­ев — структурных элементов, важнейшими из них являются чув­ствительные и преобразующие элементы, измерительные, регист­рирующие и отсчетные устройства.

Чувствительный элемент — часть первого в измерительной цепи преобразовательного элемента, находящегося под непосред­ственным воздействием измеряемой физической величины. В ка­честве чувствительных элементов применяются самые разнооб­разные, основанные на различных принципах действия устройст­ва — от простейших механических рычагов, термоэлектродов, электролитических электродов до тензо- и оптоустройств, фото- умножительных устройств, воспринимающих эффект воздействия на уровне элементарных частиц, и др.

Преобразовательный элемент — элемент, в котором происходят последовательные преобразования измеряемой физической вели­чины.

С помощью средств измерений физические величины преоб­разуются в разнообразные выходные величины, используемые в качестве сигнала измерительной информации. Такие преобразова­ния реализуются с помощью ряда структурных схем, основные

В схеме (рис. 3.2 а) пред­ставлен один преобразующий элемент — первичный измери­тельный преобразователь ИЭ, с помощью которого измеряе­мая физическая величина Х_т непосредственно преобразует­ся в сигнал измерительной информации Х_пых в виде есте­ственной выходной величины. Эта схема широко реализуется в измерительных преобразова­телях и устройствах.

В схеме (рис. 3.2 6) пред­ставлена последовательность звеньев прямого преобразова­ния, от элемента 1 до п звеньев, в которых измеряе­мая физическая величина Х_ех преобразуется в промежуточную выходную величину Х_пр и далее, после одного или ряда преобразований, — в выходную величину Х_вых, удобную для использования в измерительном и отсчетном устройствах или для передачи сигнала в каналы линий связи.

Наибольшее применение имеют структурные схемы построе­ния средств измерений с обратными связями (рис. 3.2 в).

из них представлены на рис. 3.2.

Х_и~ I I Xuv

ИЭ

■*»* ' I : 1 I

—р-н 1 ь—

.^вых

Рис. 3.2. Структурные схемы средств из­мерений: а) — простая; б) — последова­тельная; в) — с обратной связью

Применение обратных связей (ОС) обеспечивает возможность построения компенсационных измерительных устройств, обла­

дающих радом существенных преимуществ в сравнении со схема­ми без обратных связей. Схемы с обратной связью имеют воз­можность учитывать результат своего действия, чтобы изменить его в случае необходимости, а также способностью функциони­ровать независимо от некоторых внешних условий, так как они выполняют функции фильтра от возмущений и др.

Компенсационные измерительные устройства по точности преобразования превосходят системы прямого преобразования вследствие того, что измерение происходит почти без потребле­ния энергии процесса и объект измерения мало нагружен. При разработке и конструировании средств измерений стремятся по возможности к максимальному применению обратных связей в системах преобразования сигналов.

Измерительный механизм — часть средства измерений, состоя­щая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаим­ное перемещение. Например, измерительный механизм милли­вольтметра, состоящий из постоянного магнита с деталями маг- нитопровода и подвижной рамки с пружинами или подвесками, через которые к ней (рамке) подводится электрический ток.

Регистрирующее устройство — часть средства измерений, пред­назначенная для записи показаний или представления их в циф­ровой форме.

Отсчетное устройство — часть средства измерений, предназна­ченная для отсчитывания значений измеряемой величины, на­пример шкала и стрелка показывающего прибора.

Шкалой прибора называется часть отсчетного устройства, со­стоящая из совокупности отметок, представленных числами или символами, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой физической величины. Шкалы измерительных при­боров бывают прямолинейными, круговыми или дуговыми, рав­номерными или неравномерными. Они могут быть односторон­ними, двусторонними и безнулевыми. Измерительные приборы с одним диапазоном измерения имеют одинарную шкалу, с не­сколькими — двойную, тройную и т. д.

Указателем прибора называется часть отсчетного устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет по­казания прибора. Указателем может быть стержень (стрелка), луч света, уровень (мениск) рабочей жидкости в измерительной труб­ке или пузырек воздуха в ней. Указатель является подвижным элементом, но в некоторых приборах предусматривается непод­вижный указатель и вращающийся циферблат со шкалой.

113

Конструктивно измерительные приборы могут быть выполне­ны как одно целое, в общем корпусе, могут состоять из несколь­ких частей в различных корпусах. Приборы в одном корпусе

8 - 4869

чаще являются местными; приборы, состоящие из нескольких частей, обеспечивают дистанционную передачу показаний.

Некоторые виды приборов выполняют ряд функций, обеспе­чивая одновременно выдачу показаний и запись измеряемой ве­личины. Иногда они снабжаются интегрирующим устройством, дополнительным электроконтактным устройством, предназначен­ным для реализации автоматического регулирования или сигна­лизации предельных значений технологического параметра и т. п.

Преобразователи, измерительные механизмы приборов и дру­гие элементы с учетом условий эксплуатации размещаются в спе­циальные защитные корпуса, предохраняющие их от механических воздействий, влаги, пыли и агрессивных газов. По форме корпуса приборов могут быть квадратными, прямоугольными или круглы­ми, а по габаритам — большими, малыми и миниатюрными. Фор­ма, размеры и способы крепления приборов определены стандар­тами. Для удобства монтажа, обслуживания и ремонта некоторые приборы снабжаются специальными устройствами, на которые крепятся основные детали и узлы измерительного механизма. Средства измерений, эксплуатируемые на производстве при изме­рении технологических параметров, проведении лабораторных и поверочных работ, подразделяются на образцовые и рабочие.

Образцовое средство измерений — это мера, измерительный преобразователь или прибор, служащие для поверки по ним дру­гих средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочее средство измерений — это измерительный преобразова­тель или прибор, предназначенные для измерений, не связанных с передачей размеров единиц физических величин другим средст­вам измерений.

Имеют место два режима работы измерительных средств: ста­тический (установившийся) и динамический (неустановившийся). Оба режима преобразования входной величины'в выходную оп­ределяются соответственно статическими и динамическими ха­рактеристиками.

Статическая характеристика средства измерений определяет функциональную зависимость между входной и выходной вели­чинами в установившихся режимах работы. В этих режимах ра­боты средства измерений статическая характеристика нарушается вследствие присущей средствам измерений инерционности.

Динамическая характеристика средства измерений определяет функциональную зависимость между входной и выходной вели­чинами в неустановившихся (динамических) режимах работы средства измерений. Величина отклонений динамических харак­теристик от статических зависит от инерционных свойств средств измерений и его элементов.

Статические и динамические характеристики средств измере­ний оказывают большое воздействие на них как При измерениях, так и при их использовании в качестве преобразователей в сис­темах автоматического регулирования и управления. Расчет этих систем невозможен без учета статических и динамических харак­теристик элементов данных систем в целях обеспечения опти­мального их функционирования.